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金屬塑性成形原理
一、塑性的概念金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)
1、塑性指標(biāo)和影響金屬塑性的因素
1）變形抗力 塑性的基本概念受力物體解除外力后，由外力引起的變形隨即消失，物體完全恢復(fù)了自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為彈性變形。
受力物體解除外力后，物體并不完全恢復(fù)自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為塑性變形（或稱為永久變形）。
所謂塑性，是指固體金屬在外力作用下能穩(wěn)定地產(chǎn)生永久變形而不破壞其完整性的能力。因此，塑性反映了材料產(chǎn)生塑性變形的能力。塑性的好壞或大小，可用金屬在破壞前產(chǎn)生的最大變形程度來表示，并稱其為“塑性極限”或“塑性指標(biāo)”。2.2 金屬塑性變形的力學(xué)基礎(chǔ)2.2.1 外力
為了使物體產(chǎn)生塑性變形，必須施加一定的外力。如果在該外力作用下物體的運動受阻，則在物體內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)力。
在壓力加工過程中，如忽略被加工物體的重量和慣性力，則物體所受外力有如下三種： ①作用力
②發(fā)作用力
③摩擦力作用力
一般是由運動機(jī)械的作用而產(chǎn)生的。例如，拉線時拉線輪作用于線上的力，即為作用力。
2）反作用力
由于工具阻礙金屬向某個方向運動而產(chǎn)生的力。反作用力的方向總是垂直于工具表面。并指向被加工物體的內(nèi)部，而不一定和作用力在同一直線上。
摩擦力
在任何壓力加工過程中，變形金屬和工具之間，都存在著摩擦力。工具對于工件作用產(chǎn)生的摩擦力的方向是阻止工件的質(zhì)點沿工具表面運動的方向。
內(nèi)力
內(nèi)力是材料內(nèi)部所受的力，它的產(chǎn)生來自于外界作用和物體內(nèi)維持自身完整性的力。外界作用可以是外力，也可以是物理作用、化學(xué)作用，如冷熱不均。內(nèi)在力則來自于組成物體的眾多原子，它們總是試圖保持相互之間的距離不變。當(dāng)外界作用于物體時，迫使原子間距發(fā)生變化，而原子則以力的形式與外界抗衡，以恢復(fù)穩(wěn)定位置，保持原有的間距。
所以內(nèi)力是物體抵抗外界作用而產(chǎn)生的于內(nèi)部各部分之間相互平衡的力。
2、 應(yīng)力應(yīng)力是單位面積上的內(nèi)力。
3、 塑性指標(biāo)及影響塑性的因素
1） 塑性指標(biāo) 為了便于比較各種材料的塑性性能和確定每種材料在一定變形條件下的加工性能，需要有一種度量指標(biāo)，這種指標(biāo)稱為塑性指標(biāo)，即金屬在不同變形條件下允許的極限變形量。
由于影響金屬塑性的因素很多，所以很難采用一種通用指標(biāo)來描述。目前人們大量使用的仍是那些在某特定的變形條件下所測出的塑性指標(biāo)。如拉伸試驗時的斷面收縮率及延伸率，沖擊試驗所得之沖擊韌性；鐓粗或壓縮實驗時，第一條裂紋出現(xiàn)前的高向壓縮率（最大壓縮率）；扭轉(zhuǎn)實驗時出現(xiàn)破壞前的扭轉(zhuǎn)角（或扭轉(zhuǎn)數(shù)）；彎曲實驗試樣破壞前的彎曲角 度等等。
（1）拉伸試驗法
（2） 壓縮試驗法
（3）扭轉(zhuǎn)試驗法2.3.2 影響金屬塑性的因素
金屬的塑性不是固定不變的，它受到許多內(nèi)在因素和外部條件的影響。同一種材料，在不同的變形條件下，會表現(xiàn)出不同的塑性。因此，塑性是金屬及合金的一種狀態(tài)屬性它不僅與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與變形速度、變形溫度、變形程度、應(yīng)力狀態(tài)諸因素有關(guān)。
4、內(nèi)部因素
1）化學(xué)成分
工業(yè)用金屬均還有一定數(shù)量的雜質(zhì)。為了改善金屬使用性能，人為的加入一些其他元素而成為合金。這些混入的雜質(zhì)和加入的元素，對金屬的合金的塑性均有影響。
金屬的塑性隨其純度的提高而增加。例如純度為99.96%的鉛，延伸率為45%；而純度為98%的鉛，其延伸率則只有30%左右。
2）組織結(jié)構(gòu)
組織結(jié)構(gòu)指金屬組元的晶格、晶粒取向及晶界特征等。
面心晶格的塑性最好，體心晶格次之，六方晶格最差。
在室溫下多數(shù)金屬單晶體塑性高。這是由于多晶體的晶粒大小不一、晶粒位向不同、晶粒邊界的強(qiáng)度不足等原因所造成的。
細(xì)晶粒塑性好于粗晶粒。這是因為，細(xì)晶粒金屬在一定體積內(nèi)晶粒數(shù)目多，塑性變形時位向有利于滑移的晶粒也多，故變形能較均勻地分散到各處。晶粒細(xì)小，晶界的影響能遍及整個晶粒，故變形時晶界影響造成的各處的差異較小，由變形不均引起的應(yīng)力集中也較小。再者，細(xì)晶粒單位體積內(nèi)表面大、晶界強(qiáng)度高、晶界曲折，晶間滑移困難，故在斷裂前能承受很大的塑像形變。
5、外部因素
1）變形溫度
變形溫度對金屬的塑性有很大影響。一般規(guī)律是，隨著溫度升高，塑性增加。
在變形過程中，隨著溫度的升高，發(fā)生了消除硬化的回復(fù)和再結(jié)晶過程，從而使那些由于塑性變形造成的破壞和顯微缺陷得到修復(fù)。
2）變形速度
變形速度對塑性的影響比較復(fù)雜。當(dāng)變形速度不大時，隨變形速度的提高塑性是降低的；而當(dāng)變形速度較大時，塑性隨變形程度的提高反而變好。這種影響還沒有找到確切的定量關(guān)系。
3）變形程度
在冷塑加工中變形量到達(dá)一定程度時，金屬內(nèi)部聚會產(chǎn)生明顯的加工硬化現(xiàn)象，并且伴有產(chǎn)生微裂紋的傾向，所有塑性隨變形程度增加而降低。在實際生產(chǎn)中，為使后續(xù)加工能繼續(xù)進(jìn)行，須在兩次加工中間對硬化材料進(jìn)行退火處理。
在熱變形中，變形程度與適當(dāng)?shù)募庸に俣取囟葪l件相配合，可以消除硬化和修補(bǔ)微裂紋，變形可以繼續(xù)進(jìn)行。所以在熱加工中，變形程度對塑性影響不大。
4）應(yīng)力狀態(tài)
應(yīng)力狀態(tài)對塑性的影響是，壓應(yīng)力個數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性越低。反之，拉應(yīng)力個數(shù)越多，數(shù)值越大，則金屬的塑性越低。其原因有以下幾點：
⑴拉伸應(yīng)力會促進(jìn)晶粒間變形，加速晶粒間破壞。而壓應(yīng)力則會阻止或減少晶粒間變形，隨著三向壓縮作用的加強(qiáng)，晶粒間變形越困難，因而提高了金屬的塑性。
⑵三向壓縮應(yīng)力有利于消除由于塑性變形所引起的各種破壞。而拉應(yīng)力則相反，它促使各種破壞的發(fā)展。 ⑶當(dāng)變形體內(nèi)原來存在著少量對塑性不利的雜質(zhì)，液態(tài)相或者組織缺陷時，三相壓縮作用能抑制這些缺陷，全部或部分地消除其危害。反之，拉力作用下，將在這些地方形成應(yīng)力集中，促使金屬的破壞。
⑷三向壓縮作用能抵消由于不均勻變形所引起的附加拉應(yīng)力。例如，圓柱體鐓粗時，側(cè)表面就可能出現(xiàn)附加拉應(yīng)力而導(dǎo)致縱向裂紋的產(chǎn)生，施加側(cè)向壓力后，能抵消此附加拉應(yīng)力而防止裂紋的產(chǎn)生。
提高金屬塑性的途徑 ： 為提高金屬的塑性，必須設(shè)法促進(jìn)對塑性有利的因素，同時要減小或避免不利的因素。歸納起來，提高塑性的主要途徑有以下幾個方面：控制化學(xué)成分、改善組織結(jié)構(gòu)，提高材料的成分和組織的均勻性；采用合適的變形溫度—速度制度；選用三向壓應(yīng)力較強(qiáng)的變形過程，減小變形的不均勻性，盡量造成均勻的變形狀態(tài)；避免加熱和加工時周圍介質(zhì)的不良影響等，在分析解決具體問題時應(yīng)當(dāng)綜合考慮所有因素，要根據(jù)具體情況來采取相應(yīng)的有效措施。2.4 變形抗力
在塑性加工過程中，金屬抵抗變形的應(yīng)力稱為變形抗力。
它通常由材料在不同的變形溫度、變形速度和變形程度下，單向壓縮（或拉伸）時的屈服強(qiáng)度的大小來度量。
在實際生產(chǎn)條件下，實際測得的變形抗力值包括金屬真實抵抗變形的抗力（材料在線應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的變形抗力）和附加抗力（由影響變形力學(xué)圖的外部因素所引起的附加抗力值）兩部分。
6、 塑性條件當(dāng)物體受外力作用時，則物體內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，同時產(chǎn)生彈性變形。若外力繼續(xù)增加到某一定數(shù)值時，物體將由彈性變形狀態(tài)變?yōu)樗苄宰冃螤顟B(tài)。
人們將物體由彈性變形階段轉(zhuǎn)入塑性變形階段的這種極限狀態(tài)，稱為第一極限狀態(tài)，而產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)變的力學(xué)條件稱為塑性條件。